HTTPS 基本过程

HTTPS 即 HTTP over TLS，是一种在加密信道进行 HTTP 内容传输的协议。

TLS 的早期版本叫做 SSL。SSL 的 1.0, 2.0, 3.0 版本均已经被废弃，出于安全问题考虑广大浏览器也不再对老旧的 SSL 版本进行支持了，因此这里我们就统一使用 TLS 名称了。

TLS 的基本过程如下（取自 what-happens-when-zh_CN）：

• 客户端发送一个 ClientHello 消息到服务器端，消息中同时包含了它的 Transport Layer Security (TLS) 版本，可用的加密算法和压缩算法。
• 服务器端向客户端返回一个 ServerHello 消息，消息中包含了服务器端的 TLS 版本，服务器所选择的加密和压缩算法，以及数字证书认证机构（Certificate Authority，缩写 CA）签发的服务器公开证书，证书中包含了公钥。客户端会使用这个公钥加密接下来的握手过程，直到协商生成一个新的对称密钥。证书中还包含了该证书所应用的域名范围（Common Name，简称 CN），用于客户端验证身份。
• 客户端根据自己的信任 CA 列表，验证服务器端的证书是否可信。如果认为可信（具体的验证过程在下一节讲解），客户端会生成一串伪随机数，使用服务器的公钥加密它。这串随机数会被用于生成新的对称密钥
• 服务器端使用自己的私钥解密上面提到的随机数，然后使用这串随机数生成自己的对称主密钥
• 客户端发送一个 Finished 消息给服务器端，使用对称密钥加密这次通讯的一个散列值
• 服务器端生成自己的 hash 值，然后解密客户端发送来的信息，检查这两个值是否对应。如果对应，就向客户端发送一个 Finished 消息，也使用协商好的对称密钥加密
• 从现在开始，接下来整个 TLS 会话都使用对称秘钥进行加密，传输应用层（HTTP）内容

从上面的过程可以看到，TLS 的完整过程需要三个算法（协议），密钥交互算法，对称加密算法，和消息认证算法（TLS 的传输会使用 MAC(message authentication code) 进行完整性检查）。

我们以 Github 网站使用的 TLS 为例，使用浏览器可以看到它使用的加密为 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256。其中密钥交互算法是 ECDHE_RSA，对称加密算法是 AES_128_GCM，消息认证（MAC）算法为 SHA256。

TLS 证书机制

HTTPS 过程中很重要的一个步骤，是服务器需要有 CA 颁发的证书，客户端根据自己的信任 CA 列表验证服务器的身份。现代浏览器中，证书验证的过程依赖于证书信任链。

所谓证书信任链，即一个证书要依靠上一级证书来证明自己是可信的，最顶层的证书被称为根证书，拥有根证书的机构被称为根 CA。

还是以 Github 为例，在浏览器中我们可以看到它的证书信任链如下：

DigiCert High Assurance EV Root CA -> DigiCert SHA2 Extended Validation Server CA -> Github.com

从上到下即 Root CA -> 二级 CA -> 网站。

前面提到，证书当中包括 CN(Common Name)，浏览器在验证证书的同时，也会验证 CN 的正确性。即不光需要验证“这是一个合法的证书”，还需要验证“这是一个用于 Github.com 的证书”。

既然所有的信任，最终要落到根 CA 上，根证书本身又是怎么获得的呢？答案也很简单，根证书一般是操作系统自带的。不管是桌面系统 Windows，macOS 还是移动端系统 Android, iOS 都会内置一系列根证书。随着操作系统本身的升级，根证书也会随着升级进行更新。

对浏览器而已，浏览器当然也有选择信任某个根证书的权利。Chrome 浏览器一般是跟随系统根证书信任的。Firefox 浏览器通常是使用自带的一套证书信任机制，不受系统证书的影响。

在使用 curl 等工具时，我们还可以自行选择证书进行信任。

有权威的信任，最终都要落到一个单点信任，不管是 Root CA，还是微软，苹果，谷歌等操作系统厂商。

中间人攻击

HTTPS 的过程并不是密不透风的，HTTPS 有若干漏洞，给中间人攻击（Man In The Middle Attack，简称 MITM）提供了可能。

所谓中间人攻击，指攻击者与通讯的两端分别建立独立的联系，并交换其所收到的数据，使通讯的两端认为他们正在通过一个私密的连接与对方直接对话，但事实上整个会话都被攻击者完全控制。在中间人攻击中，攻击者可以拦截通讯双方的通话并插入新的内容。

SSL 剥离

SSL 剥离即阻止用户使用 HTTPS 访问网站。由于并不是所有网站都只支持 HTTPS，大部分网站会同时支持 HTTP 和 HTTPS 两种协议。用户在访问网站时，也可能会在地址栏中输入 http:// 的地址，第一次的访问完全是明文的，这就给了攻击者可乘之机。通过攻击 DNS 响应，攻击者可以将自己变成中间人。

DNS 作为基于 UDP 的协议是相当不安全的，为了保证 DNS 的安全可以使用 DNS over TCP 等机制，这里不赘述了。

HSTS

为了防止上面说的这种情况，一种叫做 HSTS 的技术被引入了。HSTS（HTTP Strict Transport Security）是用于强制浏览器使用 HTTPS 访问网站的一种机制。它的基本机制是在服务器返回的响应中，加上一个特殊的头部，指示浏览器对于此网站，强制使用 HTTPS 进行访问：

Strict-Transport-Security: max-age=31536000; includeSubdomains; preload

可以看到如果这个过期时间非常长，就是导致在很长一段时间内，浏览器都会强制使用 HTTPS 访问该网站。

HSTS 有一个很明显的缺点，是需要等待第一个服务器的影响中的头部才能生效，但如果第一次访问该网站就被攻击呢？为了解决这个问题，浏览器中会带上一些网站的域名，被称为 HSTS preload list。对于在这个 list 的网站来说，直接强制使用 HTTPS。

伪造证书攻击

HSTS 只解决了 SSL 剥离的问题，然而即使在全程使用 HTTPS 的情况下，我们仍然有可能被监听。

假设我们想访问 www.google.com，但我们的 DNS 服务器被攻击了，指向的 IP 地址并非 Google 的服务器，而是攻击者的 IP。当攻击者的服务器也有合法的证书的时候，我们的浏览器就会认为对方是 Google 服务器，从而信任对方。这样，攻击者便可以监听我们和谷歌之前的所有通信了。

可以看到攻击者有两步需要操作，第一步是需要攻击 DNS 服务器。第二步是攻击者自己的证书需要被用户信任，这一步对于用户来说是很难控制的，需要证书颁发机构能够控制自己不滥发证书。

2015 年 Google 称发现赛门铁克旗下的 Thawte 未经同意签发了众多域名的数千个证书，其中包括 Google 旗下的域名和不存在的域名。当年 12 月，Google 发布公告称 Chrome、Android 及其他 Google 产品将不再信任赛门铁克旗下的"Class 3 Public Primary CA"根证书。

2016 年 Mozilla 发现沃通 CA 存在严重的信任问题，例如偷签 github.com 的证书，故意倒填证书日期绕过浏览器对 SHA-1 证书的限制等，将停止信任 WoSign 和 StartCom 签发的新证书。

HPKP

HPKP 技术是为了解决伪造证书攻击而诞生的。

HPKP（Public Key Pinning Extension for HTTP）在 HSTS 上更进一步，HPKP 直接在返回头中存储服务器的公钥指纹信息，一旦发现指纹和实际接受到的公钥有差异，浏览器就可以认为正在被攻击：

Public-Key-Pins: pin-sha256="base64=="; max-age=expireTime [; includeSubDomains][; report-uri="reportURI"]

和 HSTS 类似，HPKP 也依赖于服务器的头部返回，不能解决第一次访问的问题，浏览器本身也会内置一些 HPKP 列表。

HPKP 技术仍然不能阻止第一次访问的攻击问题，部署和配置 HPKP 相当繁琐，一旦网站配置错误，就会导致网站证书验证失败，且在过期时间内无法有效恢复。HPKP 的机制也引来了一些安全性问题。Chrome 67 中废除了对 HPKP 的支持，在 Chrome 72 中 HPKP 被彻底移除。